Выветривание горных пород

Физическое выветривание

Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.

Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Известно, что при нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой объём. Не являются исключением горные породы и минералы. В результате суточных колебаний температуры в массиве горных пород возникают напряжения двух типов.

Напряжения первого типа (называемые объёмно-градиентными) связаны с неравномерным нагреванием поверхностной и более глубоких частей массива; различие температур (и, соответственно, различное расширение) в этих частях массива приводят к образованию трещин, направленных параллельно его поверхности. Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание пород, называемое десквамацией.

Десквамация в слоистой карбонатной породе (плато Лаго-Наки, Большой Кавказ)

Десквамация вулканических пород (вулканический массив Карад-Даг, Крым)

Второй тип напряжений в пределах объёма породы и минерала связан с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения этого типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы и породы, а также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими различиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.

Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений.

Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.

Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды.

Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины.

Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.

Образующиеся в ходе физического и химического выветривания продукты разрушения могут быть перемещены с места своего образования под действием водных потоков, ветра, движущихся ледников и других экзогенных факторов  (процесс перемещения продуктов разрушения горных пород называется денудация) или остаться на месте своего образования. Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород (субстата за счёт которого они образовались).

В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. Если выветривание происходит в горной области, где имеются плоские, горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и более мелкого дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи и ландшафты беспорядочного нагромождения глыб, получившие название «каменных морей».

Характерным ландшафтом зон физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, образующиеся за счёт выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром  пылеватых и песчаных продуктов их разрушения. Краю пластов часто расчленены на останцы конусовидной формы, понижения между которыми заполнены россыпями каменных глыб и щебнем.

Говоря о физическом выветривании необходимо подчеркнуть, что оно приводит к механической дезинтеграции пород и минералов, но не приводит к их химическому преобразованию.

Особые признаки выветривания

Выветривание шерстяного мешка

→ Основная статья : Выветривание шерстяного мешка

Палеозойские песчаники, образованные выветриванием шерстяных мешков в Свентокшиском национальном парке , Свентокшиские горы, Польша

Образование типичных форм в породе, которое происходит в результате различных процессов выветривания, называется выветриванием шерстяных мешков. Первоначально в породе образуется примерно прямоугольная сеть трещин , которая может быть прослежена до физического выветривания, но также может развиваться в магматической породе из-за уменьшения объема при охлаждении. Вода проникает в породу в трещинах и приводит в движение процессы химического выветривания (например, гидролиз полевого шпата). Из трещин разложение продвигается в породу, что особенно быстро происходит на углах и краях, поскольку именно здесь отношение поверхности атаки к объему породы наибольшее. Находясь на поверхности, порода, подвергшаяся выветриванию, предпочтительно подвергается эрозии, что придает необработанным ранее открытым ядрам блоков округлую форму, напоминающую шерстяной мешок.

Обида

Структура гранитных пород ( гранит , гранодиорит ) распадается на отдельные минеральные зерна в результате полевых шпатов и слюды или в результате температурного выветривания . Это по размеру зерна вперед для тонкого песчаного-галечных материала голень называют и соответствующий процесс называется Vergrusung или Abgrusung . Образование гравия часто связано с выветриванием шерстяных мешков.

Альвеолярное выветривание

→ Основная статья : Tafone

Тафони на стене в Гозо , Мальта

Механизмы альвеолярного выветривания не совсем понятны. Предположительно, он возникает, в зависимости от преобладающих условий на месте, в результате различных типов выветривания (солевого выветривания, углекислого выветривания) в сочетании с эрозией ветром и водой. В первую очередь страдают песчаники. Полученные сотовые конструкции получили название тафони .

Биотическое выветривание

Дорожный асфальт, разбитый корнями деревьев

Под биотическим выветриванием (также называемым биологическим или биогенным выветриванием) понимается выветривание под воздействием живых организмов и продуктов их выделения или разложения. Эти эффекты могут иметь физическую природу (например, удаление корней) или могут состоять из химического воздействия. В некоторых случаях трудно различить биотическое и абиотическое выветривание. Процессы биотического выветривания иногда также классифицируются в литературе по категориям физического или химического выветривания.

Механико-биотическое выветривание

Механико-биотическое выветривание — это, в основном, выветривание корней . В трещинах в скале и в крошечных промежутках между минеральными зернами в корни растущих растений через их толщину возникает сила, имеющая тенденцию расширять эти отверстия. Иногда можно увидеть деревья с их нижним стволом и корнями, прочно вклинившимися в пропасть в массивной скале. В отдельных случаях еще предстоит выяснить, действительно ли дереву удалось раздвинуть каменные блоки дальше друг от друга с обеих сторон пропасти или же оно только заполнило пространство в уже существующей щели. В любом случае несомненно, что давление, оказываемое ростом крошечных корней в волосяных трещинах в скале, ослабляет бесчисленные мелкие чешуйки и зерна. Подъем и разрушение бетонных плит тротуара из-за роста корней близлежащих деревьев — хорошо известное свидетельство эффективного вклада растений в механическое выветривание.

Химико-биотическое выветривание

Химико-биотическое выветривание вызывается микроорганизмами , растениями и животными и является одним из тех явлений, которые обобщены термином биокоррозия . Например, органические кислоты, выделяемые корнями растений, атакуют минералы и расщепляют породу на отдельные компоненты. Гумус , который состоит из частично разложившихся микробных остатков мертвых растений и животных, содержит большое количество гуминовых кислот , которые обладают разрушающим действием. Образование микробных кислот, окисление и восстановление может привести к растворению минералов.

Действие угольной кислоты во многих случаях усиливается действием простых органических кислот. Они возникают в результате микробного разложения мертвого органического вещества или выделяются корнями живых растений. Они идут с металлами, особенно железом (Fe), алюминием (Al) и магнием (Mg), очень стабильными, водорастворимыми, частично водонерастворимыми соединениями, частично так называемыми металлоорганическими комплексами ( хелаты , хелаты ). Это хелатирование — важная реакция выветривания. Слово «хелат» означает «как клешни краба» и относится к очень тесной связи, которую органические молекулы образуют с катионами металлов.

В случае растворимых комплексов они смещаются в почвенном профиле с движением фильтрационной воды и выводятся из механизма выветривания. Хелатирующие вещества, которые в основном выделяются во время процессов микробной деградации, включают лимонную кислоту , винную кислоту и салициловую кислоту .

Кроме того, микроорганизмы и дыхание корней растений могут увеличивать содержание углекислого газа в почве за счет образования углекислого газа и, таким образом, ускорять процессы растворения. Анаэробные бактерии иногда вызывают процессы восстановления, используя определенные вещества в качестве акцепторов электронов для своего энергетического метаболизма и тем самым делая их водорастворимыми, например, восстанавливая железо из трехвалентной формы в двухвалентную. Соединения двухвалентного железа намного более растворимы в воде, чем соединения трехвалентного железа, поэтому железо может быть относительно легко мобилизовано и перемещено посредством микробного восстановления.

Выветривание здания

Бетон поврежден кислотным дождем .

Здания из любого камня, кирпича или бетона подвержены тем же атмосферным воздействиям, что и любая обнаженная скальная поверхность. Также статуи , памятники и декоративная каменная кладка могут быть сильно повреждены естественными процессами выветривания. Это ускоряется в районах, сильно пострадавших от кислотных дождей .

Ускоренное атмосферное воздействие на здание может представлять угрозу для окружающей среды и безопасности людей. Стратегии проектирования могут смягчить воздействие воздействия окружающей среды, например, использование завесы от дождя с регулируемым давлением, гарантируя, что система HVAC может эффективно контролировать накопление влаги, и выбор бетонных смесей с пониженным содержанием воды для минимизации воздействия циклов замораживания-оттаивания.

Определение «Выветривание горных пород» в ЭБНБ

Выветривание горных пород и минералов — это процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов.Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.Физическое выветривание — это процесс механического раздробления горных пород без изменения химического состава образующих их минералов.

Физическое выветривание активно протекает при больших колебаниях суточных и сезонных температур, например в жарких пустынях, где поверхность почвы иногда нагревается до 60 — 70°С, а ночью охлаждается почти до 0°С. Процесс разрушения усиливается при конденсации и замерзании воды в трещинах горных пород, поскольку, замерзая, вода расширяется на своего объема и с огромной силой давит на стенки. В сухом климате аналогичную роль играют соли, кристаллизующиеся в трещинах горных пород. Так, соль кальция CaSO₄, превращаясь в гипс (CaSO₄ — 2H₂O), увеличивается в объеме на 33%. В результате от породы, разбитой сетью трещин, начинают отпадать отдельные обломки, и с течением времени ее поверхность может подвергнуться полному механическому разрушению, что благоприятствует химическому выветриванию.Химическое выветривание — это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.

Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода выступает в роли активного растворителя горных пород и минералов, а растворенный в воде углекислый газ усиливает разрушающее действие воды.

Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз — приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды.

С деятельностью воды связана также гидратация — химический процесс присоединения воды к минералам. В результате реакции происходит разрушение поверхности минералов, что в свою очередь усиливает их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.

Реакция присоединения кислорода и образования оксидов (кислотные, основные, амфотерные, солеобразующие) называется окислением. Окислительные процессы широко распространены при выветривании минералов, содержащих соли металлов, особенно железа.

В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов, разрушается их кристаллическая решетка. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает такие свойства, как связность, влагоемкость, способность к поглощению и др.Биологическое выветривание — это процесс химического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием организмов и продуктов их жизнедеятельности.

При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностном горизонте породы, создавая условия для формирования почвы. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную, плавиковую, азотную, серную и др.), которые разрушают минералы и усиливают процесс выветривания.

Большая роль в биологическом выветривании монолитных пород принадлежит лишайникам, которые разрушают породы как химически, выделяя углекислоту и кислоты, так и механически, проникая гифами внутрь минералов и трещин горных пород.Животные в меньшей степени, чем растения, влияют на горные породы. Однако и они разрушают их путем механического разрыхления и выделения продуктов жизнедеятельности.

Разные породы и минералы имеют неодинаковую устойчивость к выветриванию. Более легко выветриванию подвергаются пористые породы с высоким содержанием минералов: вулканические пеплы, слюды и др. Наоборот, минералы с плотной структурой — устойчивы к выветриванию — это кварциты, граниты и др. Промежуточное положение занимают полевые шпаты.

Интенсивность выветривания зависит также от климатических условий и главным образом от температуры и количества осадков. В условиях засушливого климата продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата — вымываются (выщелачиваются).

«ЭБНБ» >> «В» >> «ВЫ»

Индивидуальные доказательства

1. Ганс Георг Вундерлих : Введение в геологию. Том 1: Экзогенная динамика (= университета BI 340 / 340a, ). Bibliographisches Institut, Mannheim, 1968, стр. 39.
2. Герберт Луи , Клаус Фишер: Allgemeine Geomorphologie (= учебник общей географии. Том 1). 4-е, обновленное и дополненное издание. де Грюйтер, Берлин и др. 1979, ISBN 3-11-007103-7 , стр. 113 и далее.
3. Франк Анерт: Введение в геоморфологию. 4-е издание. Ulmer (UTB), Штутгарт 2009, ISBN 978-3-8252-8103-8 , стр. 297.
4. Si-Liang Li, Damien Calmels, Guilin Han, Jérôme Gaillardet, Cong-Qiang Liu: Серная кислота как агент карбонатного выветривания, ограниченная δ 13 C _DIC : Примеры из Юго-Западного Китая. Письма о Земле и планетологии. Vol. 270, No. 3–4, 2008, pp. 189–199, doi : (альтернативный
5. Фрэнк Дж. Стивенсон: Химия гумуса. Генезис, состав, реакции. 2-е издание. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк и др. 1994, ISBN 0-471-59474-1 , стр. 474.
6. Фрэнсис Джордж Генри Блит, Майкл Х. Де Фрейтас: геология для инженеров. 7-е издание. Арнольд, Лондон 1984, ISBN 0-7131-2882-8 , стр.31 .
7. Грег Джон Реталлак: Почвы прошлого. Введение в палеопедологию. 2-е издание. Blackwell Science, Лондон и др. 2001, ISBN 0-632-05376-3 , стр. 75.

Виды выветривания

1.1. Температурное выветривание

Механизм температурного выветривания определяется: суточными и сезонными колебаниями температур; разными коэффициентами теплового расширения, сжатия и теплопроводности минералов;

Это приводит к возникновению напряжений между минералами и нарушению сил сцепления. Минеральные зерна в разной степени температурного выветривания сжимаются и расширяются, а потому возникают сжимающие и расширяющиеся усилия.

Особенно ярко этот процесс температурного выветривания проявляется среди полиминеральных горных пород, и в частности, среди гранитов, сиенитов, габбро, гнейсах и кристаллических сланцев.

У кварца и кальцита температурный коэффициент линейного расширения в направлении, перпендикулярном тройной оси, в два раза превышает тот же коэффициент в направлении, параллельном ей. Возникающие местные напряжения приводит к разрушению минеральных зерен.

Вследствие этого даже мономинеральные горные породы, такие как кварцевые песчаники, кварциты, известняки, известковые песчаники, мрамора и другие, быстро разрушаются из-за температурных колебаний.

На интенсивность температурного выветривания влияют:

цвет горных пород: темноцветные минералы нагреваются и остывают быстрее и больше, чем бесцветные. Поэтому темноокрашенные горные породы быстрее разрушаются.

размеры слагающих ее минеральных зерен. Чем крупнее зерна, тем быстрее они разрушаются.

Процесс температурного выветривания наиболее интенсивно протекает в областях с резкими контрастами температур, сухостью воздуха и слабым развитием или полным отсутствием растительности.

Из-за температурного фактора и при наличии влаги поверхность горных пород начинает шелушиться.

От поверхности отслаиваются чешуи или различной толщины пластины. Этот процесс особенно хорошо выражен на отдельных глыбах или валунах.

Температурное выветривание активно протекает на вершинах и склонах гор, не покрытых снегом или льдом. Здесь вследствие высокой инсоляции поверхность хорошо и активно прогревается, а в ночное время остывает до отрицательных температур.

Под действием замерзающей воды легко раскалываются трещиноватые и пористые породы.

В жарких районах механическое воздействие на горные породы и их дезинтеграция происходят в результате роста кристаллов солей в капиллярных трещинах и порах. В дневное время поверхность пород сильно прогревается, капиллярная вода притягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов трещины и поры расширяются.

Особенно сильным разрушающим фактором при механическом выветривании оказывает замерзающая вода.

Сильное механическое воздействие на толщи горных пород оказывают корневая система деревьев, трав, а также животные (муравьи, земляные черви, норные звери).

Дата публикования: 2014-11-19; Прочитано: 227 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…

Выве́тривание — совокупность процессов физического и химического разрушения горных пород и слагающих их минералов на месте их залегания: под воздействием колебаний температуры, циклов замерзания и химического воздействия воды, атмосферных газов и организмов.

Выветривание происходит за счёт совокупного воздействия на верхнюю оболочку литосферы агентов (факторов) выветривания из гидросферы, атмосферы и биосферы. В результате образуются кора выветривания и продукты выветривания. Выветривание может проникать на глубину до 500 метров

Процессы в зоне гипергенеза

В зоне гипергенеза, соответствующей приповерхностной биокостной  части литосферы, выведенные на поверхность либо на дно морского бассейна горные породы стремятся прийти в равновесие с окружающей средой. Основными источниками энергии здесь являются солнечное тепло и в значительно меньшей степени внутренне тепло Земли. Важнейшую роль в гипергенных процессах играют органическое вещество и вода.

Верхней границей служит земная поверхность. Нижняя граница соответствует уровню затухания воздействия на горные породы фотосинтезирующей жизни, что сопровождается резким сокращением содержания кислорода и соответственно изменением химических условий среды (Eh, pH, угнетение процессов окисления, гидролиза, коллоидообразования). Обычная мощность зоны гипергенеза не превышает десятков метров, но иногда гипергенные процессы проявляются на глубинах в сотни и даже первые тысячи метров. Их проявление в глубинных зонах приурочено к зонам трещиноватости, карстовым полостям, поверхностям контактов пород, подземным горным выработкам, сохраняющим связь с земной поверхностью и служащим путями проникновения гипергенных агентов.

В зоне гипергенеза всегда присутствуют два принципиально различных комплекса минеральных образований: 1) материнские породы (субстрат) и 2) продукты гипергенеза.

В зависимости от условий процессы гипергенеза можно разделить на три группы:

поверхностный (или наземный) гипергенез – комплекс явлений и процессов, происходящих непосредственно на поверхности суши или связанных с проникающими в толщи пород инфильтрационными водами;

глубинный (или подземный) гипергенез — комплекс явлений и процессов, происходящих ниже земной поверхности и связанных с воздействием подземных вод, движущихся по водоносным горизонтам или восходящих по проницаемым зонам (заметим, что эти воды также имеют поверхностное происхождение);

подводный гипергенез (или гальмиролиз) — комплекс явлений и процессов, происходящих на дне морей и океанов при взаимодействии морских вод с горными породами.

Формирование продуктов поверхностного гипергенеза связано с процессами выветривания.

Выветривание – это процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на земной поверхности под воздействием физических, химических и органических факторов.

В зависимости от того, какие факторы обуславливают процессы преобразования пород, выветривание можно подразделить на физическое (или механическое) и на химическое. Биогенные процессы, очень широко проявленные в процессах выветривания, проявляются как в механическом, так и в химическом воздействии на минеральный субстрат. Механическое разрушение пород при биогенном выветривании осуществляется, например, корнями растений, расширяющими трещины, или роющими организмами (черви, муравьи, термины, суслики, кроты и др.). Биохимические процессы активно воздействуют на минеральное вещество как в процессе жизнедеятельности (например, лишайники извлекают минеральные вещества из минералов, что приводит к разрушению последних), так и поставляя химически активные соединения в процессе разложения (органические кислоты, возникающие при разложении опавшей листвы и пр.).

Взаимодействие минерального и органического вещества приводит к возникновению почвы.

Химическое выветривание

Химическое выветривание представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биогеохимических процессов.

Преобразование происходит вследствие реакций окисления и гидратации (например, преобразование пирита по схеме FeS₂ + mH₂O + nO₂ – FeSO₄ — Fe₂SO₄ – Fe(OH)₃ – Fe₂O₃.nH₂O), растворения и гидролиза. Особое место занимают реакции гидролиза — ионного обмена между веществами и водой, приводящие к разрушению даже весьма устойчивых структур силикатов, сопровождающемуся их гидратацией и выносом элементов из кристаллической решётки. Примером такой реакции, может служить разрушение каркасной структуры полевых шпатов (самых распространённых в земной коре минералов) с образованием глинистых минералов и, далее, гиббсита:

K[AlSiO₃] + CO₂ + H₂O – Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + K₂CO₃ + SiO₂ – AlО(OH)₃ + SiO₂.

Необходимо отметить ещё одну функцию воды, без которой невозможно химическое преобразование пород: вода обеспечивает «доставку» агентов химического выветривания и вынос продуктов реакций. 

Транспортировка веществ происходит почвенно-грунтовыми водами в виде истинных и коллоидных растворов.

Важное значение в процессах химического выветривания имеют органические кислоты, активно способствующие разложению минералов. Процессы химического выветривания протекают ниже почвенного слоя, просачиваясь через который воды обогащаются органическими соединениями

Необходимыми условиями глубоко химического выветривания являются:

• климат, при котором достигается сочетание высоких температур и влажности (гумидный тропический);
• обилие и характер растительности (при её разложении образуются органические кислоты, активно разрушающие минералы);
• выровненный рельеф, обеспечивающий неподвижность продуктов разрушения;
• продолжительность выветривания.

Важно подчеркнуть роль ландшафтных условий. В гумидных ландшафтах развита лесная растительность, обладающая огромной биомассой и разлагающаяся почве микроорганизмами с образованием органических кислот, поэтому почвенные воды гумидных ландшафтов обладают кислой реакцией и активно воздействует на минералы исходных горных пород; в таких условиях выветривание протекает под воздействием постоянного промывания горных пород кислыми растворами

В аридных ландшафтах, отличающихся недостаточной увлажнённостью, распространена травянистая растительность. Её биомасса в десятки раз меньше биомассы лесов. Кроме того, почвенная микрофлора перерабатывает растительные остатки с образованием высокополимеризованных органических соединений, которые не обладают агрессивными свойствами по отношению к минералам. Почвенные воды имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, поэтому интенсивного промывания выветривающейся толщи агрессивными возами не происходит, и в ней постепенно сохраняются относительно легкорастворимые соединения.

Процессы химического разложения приводят к разрушению кристаллических решёток минералов, даже весьма устойчивых, высвобождению из них химических элементов. Так выветривание гранитов может завершиться формированием за сёт слагающих их минералов толщи глин, обогащённых водными окислами алюминия.